改进型模糊规划方法及城市能源系统管理

摘要

快速的城市人口增长、高速的经济发展和加快的城市化演进进程，带动了城市能源需求和消费迅猛增长，加剧了能源供需矛盾，引发了电力供给不足、过度依赖化石燃料或进口电力造成的能源对外依存度过高等能源系统不安全性问题，以及大气污染和温室气体过量排放等环境问题。城市能源系统是一个能源资源开发、加工、转化、输送、消费等多个环节相互交织在一起的复杂网络系统，系统中各环节复杂的互动关系导致大量不确定性信息的存在。这些复杂性和不确定性对能源资源供应、电力消费结构、甚至电力部门决策者将做出的相关决策方案有潜在影响，加剧了电力供应的不安全性。因此，如何将上述现实问题归结为相应的数学问题，如何将城市能源系统的特征及其内在联系抽象到数学模型中，如何利用数学规划方法表征城市能源系统中的多种不确定性，如何反映不确定性参数之间互动关系与变化规律，如何揭示参数不确定性和决策不确定性之间的联系以及其相互影响，皆是城市能源系统规划研究的关键问题。
　　针对上述问题，本论文基于城市能源系统复杂性辨识，引入必然性测度，改进了传统模糊规划方法，综合模糊可能性规划、模糊强健性规划、区间数学规划以及两阶段随机数学规划等不确定性规划方法的优点，开发一套改进型模糊规划方法用于城市能源系统管理研究，构建一套基于改进型模糊规划方法的城市尺度能源模型，具体包括:(1)分位数强健随机规划方法。该方法通过引入必然性测度改进传统模糊强健性规划，能同时处理目标函数和约束中表现为模糊隶属函数和随机分布函数的不确定性信息。方法应用于基于不同温室气体和大气污染物的环境管理政策下的城市电力系统规划，建立基于分位数强健随机规划方法的城市电力系统模型，得到不同情景下城市能源结构调整方案，分析了其对能源生产消费和系统成本的影响。(2)分位数模糊区间混合整数规划方法。该方法通过整合了模糊可能性规划和区间参数规划，处理目标函数中表现为模糊边界区间数的双重不确定性信息。本论文选择深圳市能源系统作为案例研究，建立基于分位数模糊区间混合整数规划方法的深圳市能源模型，提出了能源供应、电力生产、电力设备扩容、大气污染物减排等深圳市能源系统优化方案，并权衡系统成本、环境影响以及系统失败风险之间的关系。(3)模糊区间可能性规划方法。该方法通过引入期望值算子和必然性水平，解决目标函数和约束中的表现为确定性区间数和模糊边界区间数的不确定性信息。将清洁发展机制引入到城市能源优化模型的构建中，构建基于模糊区间可能性规划方法的深圳市清洁发展机制模型，深入分析二氧化碳减排、能源供需平衡约束违约风险、电力供应安全和经济目标之间的平衡关系，研究结果揭示了清洁发展对城市电力系统碳减排的影响机制，揭示了不确定性对清洁发展机制框架和城市电力系统的影响，有助于决策者在清洁发展机制下制定有关碳减排和城市低碳发展的未来政策。(4)强化可能性混合整数规划方法。该方法在可能性混合整数规划的基础上，引入强健性水平和必然性水平，改进传统模糊规划，处理目标函数和约束中的模糊不确定性，追索不确定性目标函数与其期望值之间的偏差和不确定性约束的潜在违背风险，最小化风险带来的惩罚，避免将高风险强加于决策者，有助于寻求具有最优性和可行性强健的解。以深圳市电力系统为例，建立基于强化可能性混合整数规划方法的深圳市电力系统模型，分析城市电力消费结构、电力平衡和能源自给情况，提出经济和可持续的发电方案，分析城市电力供应潜在风险及能源政策对电力系统影响，权衡了决策者对风险态度的控制水平、系统成本和供应安全之间的互动关系，揭示了不确定性对城市能源资源供应、电力消费结构和系统成本的影响。
　　本论文开发的一套改进型模糊规划方法，从定性和定量角度来刻画并解决城市能源系统和清洁发展机制框架中复杂性和不确定性，揭示了多重不确定性参数对模型输出的影响及其之间的交互关系。建立一套不确定性城市能源系统模型涵盖能源供应、能源加工、电力生产、设备扩容、能源输送、终端能源消费、温室气体及大气污染物排放、清洁发展机制项目的实施、核证减排量的签发等过程，有助于推动城市能源消费结构转变，实现城市电力供应方式变革，制定有关可再生能源发展和电力供应安全的政策，分析城市能源系统与经济、环境、市场之间的相互作用以及随时间推移应作出的能源决策，以及辅助城市能源管理。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 城市能源系统规划

1．2．1 确定性城市能源规划模型

1．2．2 不确定性城市能源规划模型

1．2．3 城市能源规划模型存在的问题

1．3 清洁发展机制

1．3．1 清洁发展机制产生背景

1．3．2 清洁发展机制概述

1．3．3 清洁发展机制在电力系统中的应用

1．3．4 清洁发展机制在电力系统中的应用存在的问题

1．4 不确定性规划方法

1．4．1 随机数学规划

1．4．2 模糊数学规划

1．4．3 区间数学规划

1．4．4 不确定性规划方法存在的问题

1．5 研究目标

1．6 论文结构

第2章 分位数强健随机规划方法在城市电力系统中的应用

2．1 方法研究

2．1．1 分位数强健随机规划

2．1．2 分位数强健随机规划算法

2．2 案例研究

2．2．1 研究系统概述

2．2．2 问题提出

2．3 模型建立

2．4 结果分析与讨论

2．4．1 基准情景下优化结果

2．4．2 宽松情景下优化结果

2．4．3 不同必然性水平下系统成本分析

2．4．4 与传统两阶段随机数学规划的比较

2．5 小结

第3章 分位数模糊区间混合整数规划方法用于深圳市能源系统管理

3．1 方法研究

3．2 案例研究

3．2．1 深圳市经济概况

3．2．2 深圳市能源利用现状

3．2．3 深圳市能源系统

3．2．4 深圳市能源系统面临的问题与挑战

3．3 模型边界与假设

3．4 模型建立

3．5 结果分析与讨论

3．5．1 能源供应

3．5．2 能源加工与转化

3．5．3 新增容量

3．5．4 电力进出口

3．5．5 大气污染控制

3．5．6 发电成本分析

3．6 小结

3．7 参数解释

第4章 模糊区间可能性规划方法用于深圳市电力系统清洁发展机制研究

4．1 方法研究

4．2 案例研究

4．2．1 深圳市电力系统碳减排面临的问题与挑战

4．2．2 基于清洁发展机制的深圳市电力系统

4．3 模型边界与假设

4．4 模型建立

4．5 结果分析与讨论

4．5．1 清洁发展机制下优化结果

4．5．2 不确定性分析

4．5．3 不实行清洁发展机制下优化结果

4．6 小结

第5章 强化可能性混合整数规划方法用于深圳市电力供应风险分析

5．1 方法研究

5．2 案例研究

5．2．1 深圳市电力系统概况

5．2．2 深圳市电力系统面临的供应安全问题

5．3 模型边界与假设

5．4 模型建立

5．5 结果分析与讨论

5．5．1 能源供应

5．5．2 新增容量

5．5．3 电力消费结构

5．5．4 电力平衡及自给率分析

5．5．5 不确定性分析

5．6 小结

5．7 参数解释

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点及主要贡献

6．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介